JP2006230048A - アクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータ - Google Patents

アクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータ Download PDF

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Abstract

【課題】所定(一定)の共振周波数を有するアクチュエータを容易に得ることができるアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータ100の共振周波数の調整方法は、交流電圧を印加することによって、第1の質量部1、11が駆動し、それに伴い第2の質量部2が回動するアクチュエータ100の共振周波数の調整方法であって、前記第1の質量部1、11と前記第2の質量部2との少なくとも一方の質量部本体14に、質量を調整するために除去され得る除去部8を設け、前記除去部8の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整することを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、アクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータに関するものである。
例えば、レーザープリンタ等に用いられるアクチュエータとしてポリゴンミラー(回転多面体)が知られている。
しかし、このようなポリゴンミラーにおいて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷を達成するには、ポリゴンミラーの回転をさらに高速にしなければならない。
現在のポリゴンミラーには高速安定回転を維持するためにエアーベアリングが使用されているが、今以上の高速回転を得るのは困難となっている。また、高速にするためには、大型のモーターが必要であり、機器の小型化の面で不利であるという問題がある。
このようなポリゴンミラーを用いると、構造が複雑となり、コストが高くなるといった問題も生じる。
また、図16に示すような、平行平板状に電極を配置した1自由度のねじり振動子は、その構造が簡単なことから、アクチュエータの研究初期から提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、前記ねじり振動子をカンチレバー方式とした1自由度静電駆動型振動子も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
図16の1自由度静電駆動型ねじり振動子は、ガラス基板1000上の両端部にスぺーサ1200を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板1300の両端固定部1300aを固定し、この可動電極板1300の両端固定部1300a間に、細巾のトーションバー1300bを介して可動電極部1300cを支持させ、また、その可動電極部1300cに電極間隔を置いて対向させる固定電極1400を、ガラス基板1000上において前記可動電極部1300cに対し平行配置している。可動電極板1300と固定電極1400との間にはスイッチ1600を介して電源1500が接続される。
前記構成を有するねじり振動子は、可動電極部1300cと固定電極1400との間に電圧を印加すると、静電引力によりトーションバー1300bを軸として可動電極部1300cが回転するものである。
このねじり振動子等のアクチュエータは、その共振周波数とほぼ等しい周波数で駆動されるのが好ましい。このアクチュエータの共振周波数は、可動電極部1300cの形状や寸法、トーションバー1300bのばね定数(ねじりばね定数)等により決まるので、アクチュエータの製造時の加工精度に大きく依存する。
しかしながら、従来のアクチュエータ(アクチュエータの製造方法)では、その共振周波数を所定値(一定値)に設定することが困難である。すなわち、従来のアクチュエータでは、その共振周波数を所定値に設定するためには、加工精度を格段に向上させる必要があり、歩留まりも低くなり、コストも高くなってしまう。
K.E.Petersen:"Silicon Torsional Scanning Mirror",IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631 河村他:"Siを用いたマイクロメカニクスの研究"、昭和61年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、P.753
本発明の目的は、所定(一定)の共振周波数を有するアクチュエータを容易に得ることができるアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータを提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法は、質量部本体を有する第1の質量部と、質量部本体を有する第2の質量部と、支持部と、前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第1の弾性連結部と、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第2の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するアクチュエータの共振周波数の調整方法であって、
前記第1の質量部と前記第2の質量部との少なくとも一方の前記質量部本体に、質量を調整するために除去され得る除去部を設け、
前記除去部の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整することを特徴とする。
これにより、所定(一定)の共振周波数を有するアクチュエータを容易に得ることができる。この場合、アクチュエータの共振周波数は、第1の質量部、第2の質量部の慣性モーメントに依存し、その慣性モーメントが小さいほど、大きい(高い)。このため、例えば、除去部の一部を除去することにより、前記慣性モーメントが減少し、前記共振周波数を大きくすることができる。
また、アクチュエータの加工精度を特別に高くする必要がないので、歩留まりも高く、コストを低減することもできる。
また、このアクチュエータは、第1の質量部と第2の質量部とを有しているので、低電圧で大きい回転角度(振れ角)での駆動が可能である。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸から遠位の端部に設けられることが好ましい。
これにより、慣性モーメントへの影響が大きい位置に除去部を位置させることができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸と、該回動中心軸からの遠位端との中間点より前記遠位端側に設けられることが好ましい。
これにより、慣性モーメントへの影響が大きい位置に除去部を位置させることができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸を介して両側にそれぞれ設けられることが好ましい。
これにより、除去部をバランス良く除去することができ、安定的に第2の質量部を回動させることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記回動中心軸を中心にほぼ対称となるように前記除去部を除去することが好ましい。
これにより、除去部がバランス良く除去され、安定的に第2の質量部を回動させることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記第2の質量部は、光反射部を有することが好ましい。
本発明のアクチュエータは、各種のものに適用可能であるが、例えば光スキャナへの適用が好適であり、この場合、光の光路を容易に変更することができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記アクチュエータは、前記第1の質量部を一対備え、
前記一対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられていることが好ましい。
これにより、より確実に、低電圧で駆動が可能で、かつ、回転角度(振れ角)が大きいものとすることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、複数の突起を有し、該複数の突起の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整することが好ましい。
これにより、除去部を所定(一定)の質量分ずつ、容易に除去することができ、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起の基端部は、その先端側の部分よりも細いことが好ましい。
これにより、突起をより容易に除去することができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起が設けられている質量部において、該突起は、互いに、その質量部の回動中心軸からほぼ等しい距離に位置することが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起が設けられている質量部において、該突起は、その質量部の回動中心軸に対してほぼ平行な方向に沿って並設されることが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起が設けられている質量部において、該突起は、その質量部の回動中心軸に対してほぼ垂直な方向に沿って並設されることが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記アクチュエータが、前記第1の質量部を一対備え、前記一対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられている構成において、前記一方の第1の質量部の回動中心軸と、該一方の第1の質量部の質量部本体の前記回動中心軸からの遠位端(前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の先端)との間の距離をLとし、前記他方の第1の質量部の回動中心軸と、該他方の第1の質量部の質量部本体の前記回動中心軸からの遠位端(前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の先端)との間の距離をLとし、前記第2の質量部の回動中心軸と、該第2の質量部の質量部本体の前記回動中心軸からの遠位端(前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の先端)との間の距離をLとしたとき、LとLとが、L<Lなる関係を満足し、かつ、LとLとが、L<Lなる関係を満足することが好ましい。
これにより、より容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、回転角度(振れ角)が大きいものとすることができる。
また、この場合、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記距離Lと、前記距離Lとがほぼ等しいことが好ましい。
これにより、アクチュエータを駆動する際、その制御が容易となり、さらに容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、回転角度(振れ角)が大きいものとすることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記交流電圧の周波数が、前記第1の質量部と前記第2の質量部とが共振する振動系(2自由度振動系)の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されていることが好ましい。
これにより、低電圧で高速動作が可能で、かつ、回転角度(振れ角)が大きいものとすることができる。また、このような構成とすることにより、第1の質量部の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記第1の弾性連結部のばね定数をkとし、前記第2の弾性連結部のばね定数をkとしたとき、kとkとが、k>kなる関係を満足することが好ましい。
これにより、第1の質量部の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記第1の質量部の慣性モーメントをJとし、前記第2の質量部の慣性モーメントをJとしたとき、JとJとがJ≦Jなる関係を満足することが好ましい。
これにより、第1の質量部の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記第1の弾性連結部および前記第2の弾性連結部のうちの少なくとも一方は、その内部にピエゾ抵抗素子を備えていることが好ましい。
これにより、例えば、回転角度(振れ角)および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部の姿勢の制御に利用することができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法は、質量部本体を有する質量部と、支持部と、前記質量部と前記支持部とを、前記質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記質量部が回動するアクチュエータの共振周波数の調整方法であって、
前記質量部の前記質量部本体に、質量を調整するために除去され得る除去部を設け、
前記除去部の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整することを特徴とする。
これにより、所定(一定)の共振周波数を有するアクチュエータを容易に得ることができる。この場合、アクチュエータの共振周波数は、質量部の慣性モーメントに依存し、その慣性モーメントが小さいほど、大きい(高い)。このため、例えば、除去部の一部を除去することにより、前記慣性モーメントが減少し、前記共振周波数を大きくすることができる。
また、アクチュエータの加工精度を特別に高くする必要がないので、歩留まりも高く、コストを低減することもできる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸から遠位の端部に設けられることが好ましい。
これにより、慣性モーメントへの影響が大きい位置に除去部を位置させることができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸と、該回動中心軸からの遠位端との中間点より前記遠位端側に設けられることが好ましい。
これにより、慣性モーメントへの影響が大きい位置に除去部を位置させることができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸を介して両側にそれぞれ設けられることが好ましい。
これにより、除去部をバランス良く除去することができ、安定的に質量部を回動させることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記質量部の回動中心軸を中心にほぼ対称となるように前記除去部を除去することが好ましい。
これにより、除去部がバランス良く除去され、安定的に質量部を回動させることができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記質量部は、光反射部を有することが好ましい。
本発明のアクチュエータは、各種のものに適用可能であるが、例えば光スキャナへの適用が好適であり、この場合、光の光路を容易に変更することができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、複数の突起を有し、該複数の突起の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整することが好ましい。
これにより、除去部を所定(一定)の質量分ずつ、容易に除去することができ、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起の基端部は、その先端側の部分よりも細いことが好ましい。
これにより、突起をより容易に除去することができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起は、互いに、前記質量部の回動中心軸からほぼ等しい距離に位置することが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起は、前記質量部の回動中心軸に対してほぼ平行な方向に沿って並設されることが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記突起は、前記質量部の回動中心軸に対してほぼ垂直な方向に沿って並設されることが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
前記突起を除去することによる共振周波数の調整を、前記粗調整として行なうことが好ましい。
これにより、共振周波数の調整を、より容易、迅速、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記質量部本体の構成材料と前記除去部の構成材料とが互いに異なることが好ましい。
これにより、除去部のみを容易に除去することができ、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
前記質量部本体と構成材料の異なる前記除去部を除去することによる共振周波数の調整を、前記粗調整として行なうことが好ましい。
これにより、共振周波数の調整を、より容易、迅速、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、前記複数の突起の表面に設けられた膜を有し、該複数の膜の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整することが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部は、膜を有し、該膜の少なくとも一部を除去することにより、共振周波数を調整することが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
前記膜を除去することによる共振周波数の調整を、前記微調整として行なうことが好ましい。
これにより、共振周波数の調整を、より容易、迅速、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記除去部が露出するようにマスクを設け、該マスクを用いて前記除去部に対してエッチングを施して該除去部の少なくとも一部を除去することにより、共振周波数を調整することが好ましい。
これにより、共振周波数の調整をより容易、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法では、前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
前記エッチングにより前記除去部を除去することによる共振周波数の調整を、前記微調整として行なうことが好ましい。
これにより、共振周波数の調整を、より容易、迅速、かつ正確に行なうことができる。
本発明のアクチュエータは、第1の質量部と、第2の質量部と、支持部と、前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第1の弾性連結部と、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第2の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するアクチュエータであって、
前記第1の質量部と前記第2の質量部との少なくとも一方の一部が必要量除去されて、その質量が調整されることにより、共振周波数が調整されたものであることを特徴とする。
これにより、アクチュエータの共振周波数を所定値(一定値)にすることができる。
また、このアクチュエータは、第1の質量部と第2の質量部とを有しているので、低電圧で大きい回転角度(振れ角)での駆動が可能である。
本発明のアクチュエータは、質量部と、支持部と、前記質量部と前記支持部とを、前記質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記質量部が回動するアクチュエータであって、
前記質量部の一部が必要量除去されて、その質量が調整されることにより、共振周波数が調整されたものであることを特徴とする。
これにより、アクチュエータの共振周波数を所定値(一定値)にすることができる。
以下、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータの第1実施形態について説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの第1実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータを示す平面図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図、図4は、印加する交流電圧の一例を示す図、図5は、印加した交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の回転角度(振れ角)との関係(第1の質量部および第2の質量部の共振曲線)を示すグラフ、図6は、図1に示すアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、図1、図3および図6中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図2中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
また、図1では、第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5と、対向基板6とを区別し易いように、対向基板6を2点鎖線で示し、また、開口部61は、図示されていない。
図1および図2に示すアクチュエータ100は、質量部本体14を有する一対の第1の質量部(駆動部)1、11と、質量部本体14を有する第2の質量部(可動部)2と、一対の支持部3、3とを備えている。
このアクチュエータ100は、第2の質量部2が中心に位置し、第2の質量部2を介し、第1の質量部1が一端側(図1および図2中、右側)に設けられ、第1の質量部11が他端側(図1および図2中、左側)に設けられている。
第1の質量部1、11および第2の質量部2は、いずれも、ほぼ平板状をなしている。
また、第1の質量部1の図中右側に一方の支持部3が配置され、第1の質量部11の図中左側に他方の支持部3が配置されている。
また、本実施形態では、第1の質量部1、11は、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法で、第2の質量部2を介して、ほぼ対称に設けられている。
第2の質量部2の上面(後述する対向基板6と反対側の面)には、光反射部21が設けられている。
また、アクチュエータ100は、図1に示すように、第1の質量部1、11が対応する支持部3、3に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11と支持部3、3とを連結する一対の第1の弾性連結部4、4を有している。また、第2の質量部2が第1の質量部1、11に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11と、第2の質量部2とを連結する一対の第2の弾性連結部5、5を有している。
すなわち、第2の質量部2は第2の弾性連結部5、5を介して、第1の質量部1、11にそれぞれ接続され、第1の質量部1、11は、第1の弾性連結部4、4を介して支持部3、3にそれぞれ接続されている。また、第1の弾性連結部4と、第2の弾性連結部5とは同軸的に設けられており、これらの中心軸(中心線)が、第1の質量部1、11および第2の質量部2の回動中心軸(回動中心線)(回転軸)41となる。
これらの第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5は、後述するように、例えば、シリコン等を主材料として、好ましくは一体的に形成されている。
また、図2に示すように、本実施形態のアクチュエータ100は、第1の質量部1、11および第2の質量部2に対向するように設けられた対向基板6を有している。
この対向基板6は、各種ガラスやシリコン等を主材料として構成され、支持部3、3に接合されている。
対向基板6は、図2および図3に示すように、第2の質量部2に対応する位置に開口部61が形成されている。この開口部61は、第2の質量部2が回動(振動)する際に、対向基板6に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部(逃げ部)61を設けることにより、アクチュエータ100全体の大型化を防止しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)(振幅)をより大きく設定することができる。
なお、逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも対向基板6の下面(第2の質量部2と反対側の面)で開放(開口)していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、対向基板6の上面(第2の質量部2側の面)に形成された凹部で構成することもできる。
また、図2および図3に示すように、対向基板6の上面(第1の質量部1、11側の面)には、第1の質量部1に対応する位置に、一対の電極7が、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように設けられ、また、第1の質量部11に対応する位置に、一対の電極7が、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように設けられている。すなわち、本実施形態では、一対の電極7が2組(合計4個)、設けられている。
第1の質量部1、11と各電極7とは、図示しない電源に接続されており、第1の質量部1、11と各電極7との間に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。
なお、第1の質量部1、11の各電極7と対向する面には、それぞれ、絶縁膜(図示せず)が設けられている。これにより、第1の質量部1、11と各電極7との間での短絡が発生するのが好適に防止される。
上述したようなアクチュエータ100は、第1の質量部1、11と第1の弾性連結部4、4とからなる第1の振動系と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5、5とからなる第2の振動系とを有する2自由度振動系を構成する。
このようなアクチュエータ100は、次のようにして駆動する。
すなわち、第1の質量部1、11と各電極7との間に、例えば、正弦波(交流電圧)等を印加する。具体的には、例えば、第1の質量部1、11をアースしておき、図3中上側の2つの電極7に、図4(a)に示すような波形の電圧を印加し、下側の2つの電極7に、図4(b)に示すような、図4(a)に示す波形の電圧に対して位相が180°ずれた波形の電圧を印加すると、第1の質量部1、11と各電極7との間に、印加された電圧の大きさと、第1の質量部1、11と対応する電極7との間の距離とに応じた大きさのクーロン力(静電気力)が生じる。
このクーロン力により、第1の質量部1、11の図3中上側の各電極7に対応する部位が、対応する電極7の方へ引きつけられ、この次に、第1の質量部1、11の図3中下側の各電極7に対応する部位が、対応する電極7の方へ引きつけられ、この動作が交互に繰り返されることによって、第1の質量部1、11は、回動中心軸41を中心に(第1の弾性連結部4を軸に)振動(回転)(回動)する。すなわち、第1の質量部1、11は、回動中心軸41を中心に正転(回転角度は180°以下)と反転(回転角度は180°以下)とを交互に繰り返す。
そして、この第1の質量部1、11の振動(駆動)に伴って、第2の弾性連結部5を介して連結されている第2の質量部2も、回動中心軸41を中心に(第2の弾性連結部5を軸に)振動(回転)(回動)する。すなわち、第2の質量部2も、回動中心軸41を中心に正転(回転角度は180°以下)と反転(回転角度は180°以下)とを交互に繰り返す。
ここで、回動中心軸41と、第1の質量部1の質量部本体14の、回動中心軸41からの遠位端(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の先端)12との間の距離(長さ)をLとし、回動中心軸41と、第1の質量部11の質量部本体14の、回動中心軸41からの遠位端(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の先端)12との間の距離(長さ)をLとし、回動中心軸41と、第2の質量部2の質量部本体14の、回動中心軸41からの遠位端(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の先端)13との間の距離(長さ)をLとしたとき、本実施形態では、第1の質量部1、11が、それぞれ独立して設けられているため、第1の質量部1、11と、第2の質量部2とが干渉せず、第2の質量部2の大きさ(長さL)にかかわらず、LおよびLを小さくすることができる。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を大きくすることができ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
また、LおよびLを小さくすることにより、第1の質量部1、11と各電極7との間の距離を小さくすることができ、これにより、クーロン力が大きくなり、第1の質量部1、11と各電極7に印加する交流電圧を小さくすることができる。
ここで、第1の質量部1、11および第2の質量部2の寸法、すなわち、第1の質量部1、11および第2の質量部2の各質量部本体14の寸法は、それぞれ、L<LかつL<Lなる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
前記関係を満たすことにより、LおよびLをより小さくすることができ、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)をより大きくすることができ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をさらに大きくすることができる。
この場合、第2の質量部2の最大回転角度が、20°以上となるように構成されるのが好ましい。
また、このように、LおよびLを小さくすることにより、第1の質量部1、11と各電極7との間の距離をより小さくすることができ、第1の質量部1、11と各電極7に印加する交流電圧をさらに小さくすることができる。
これらによって、第1の質量部1、11の低電圧駆動と、第2の質量部2の大回転角度での振動(回動)とを実現することができる。
このため、このようなアクチュエータ100を、例えばレーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合、より容易に装置を小型化することができる。
なお、前述したように、本実施形態では、LとLとはほぼ等しく設定されているが、LとLとが異なっていてもよいことは言うまでもない。
ところで、このような2自由度振動系のアクチュエータ100では、第1の質量部1、11および第2の質量部2の回転角度(振れ角)と、印加する交流電圧の周波数との間に、図5に示すような周波数特性が存在している。
すなわち、第1の質量部1、11と、第2の質量部2の回転角度とが大きくなる2つの共振周波数fm[kHz]、fm[kHz](ただし、fm<fm)と、第1の質量部1、11の回転角度がほぼ0となる、1つの反共振周波数fm[kHz]とを有している。
このアクチュエータ100では、第1の質量部1、11と電極7との間に印加する交流電圧の周波数Fが、2つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、fmとほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
なお、本明細書中では、F[kHz]とfm[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm−1)≦F≦(fm+1)の条件を満足することを意味する。
第1の質量部1、11の平均厚さは、それぞれ、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第2の質量部2の平均厚さは、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第1の弾性連結部4のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
一方、第2の弾性連結部5のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
また、第1の弾性連結部4のばね定数kと第2の弾性連結部5のばね定数kとは、k>kなる関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
さらに、第1の質量部1、11の慣性モーメントをJとし、前記第2の質量部2の慣性モーメントをJとしたとき、JとJとは、J≦Jなる関係を満足することが好ましく、J<Jなる関係を満足することがより好ましい。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
ところで、第1の質量部1、11と第1の弾性連結部4、4とからなる第1の振動系の固有振動数ωは、第1の質量部1、11の慣性モーメントJと、第1の弾性連結部4のばね定数kとにより、ω=(k/J1/2によって与えられる。一方、第2の質量部2と第2の弾性連結部5、5とからなる第2の振動系の固有振動数ωは、第2の質量部2の慣性モーメントJと、第2の弾性連結部5のばね定数kとにより、ω=(k/J1/2によって与えられる。
このようにして求められる第1の振動系の固有振動数ωと第2の振動系の固有振動数ωとは、ω>ωの関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1、11の回転角度(振れ角)を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
なお、本実施形態のアクチュエータ100は、一対の第1の弾性連結部4および一対の第2の弾性連結部5のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えたものであるのが好ましい。これにより、例えば、回転角度(振れ角)および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部2の姿勢の制御に利用することができる。
さて、本発明では、第1の質量部1、11と、第2の質量部2との少なくとも一方の質量部本体14に、質量を調整するために除去され得る除去部を設け、その除去部の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、第1の質量部1、11と、第1の弾性連結部4、4と、第2の質量部2と、第2の弾性連結部5、5とで構成される振動系全体の共振周波数(以下、単に「共振周波数」と言う)を調整することを特徴とする。
本実施形態では、図1および図6に示すように、第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設け、その除去部8の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整する。第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設けることにより、第1の質量部1、11の質量部本体14に除去部8を設ける場合に比べ、共振周波数の調整をより容易かつ確実に行なうことができる。
また、除去部8は、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように、質量部本体14の、回動中心軸41を介して両側にそれぞれ設けられる。これにより、突起81をバランス良く除去することができ、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、各除去部8は、それぞれ、質量部本体14の、回動中心軸41から遠位の端部(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の端部)、図示例では、質量部本体14の、回動中心軸41からの遠位端(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の先端)13に設けられる。
アクチュエータ100の共振周波数は、第1の質量部1、11、第2の質量部2の慣性モーメントに依存し、その慣性モーメントが小さいほど、大きい(高い)。従って、除去部8を質量部本体14の遠位端13や前記端部に設けることにより、その慣性モーメントへの影響が大きい位置に除去部8を位置させることができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
各除去部8の位置は、それぞれ、前記質量部本体14の遠位端13や端部には限定されないが、各除去部8は、それぞれ、質量部本体14の、回動中心軸41と、遠位端13との中間点15より遠位端13側に設けられるのが好ましい。除去部8を質量部本体14の中間点15より遠位端13側に設けることにより、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
また、各除去部8は、それぞれ、除去可能な複数(図示例では5個)の突起81と、各突起81の上面(対向基板6と反対側の面)にそれぞれ設けられ、除去可能な膜82とで構成される。これにより、除去部8を所定(一定)の質量分ずつ、容易に除去することができ、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
また、各除去部8のそれぞれにおいて、突起81は、質量部本体14の遠位端13に、回動中心軸41から離間する方向に向って突出するように立設される。
また、各除去部8のそれぞれにおいて、突起81は、回動中心軸41に対してほぼ平行な方向に沿って、等間隔で並設される。これにより、突起81は、互いに、回動中心軸41からほぼ等しい距離に位置する。これによって、突起81を除去したときの、第2の質量部2の慣性モーメントの変化量が、各突起81において一定になり、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
また、突起81は、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように設けられる。これにより、突起81をバランス良く除去することができ、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、突起81は、回動中心軸41に対して略垂直であり、質量部本体14(第2の質量部2)の中心(重心)16を通る中心線42を中心にほぼ対称となるように設けられる。これにより、突起81をバランス良く除去することができ、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、突起81の基端部(根本部)811は、その先端側の部分よりも細い。これにより、突起81をより容易に除去することができ、これによって、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。この場合、突起81の基端部811は、その先端側から基端側に向って徐々に細くなっているのが好ましい。すなわち、基端部811の幅と厚さとの少なくとも一方が、その先端側から基端側に向って漸減している(例えば、基端部811は、平面視において、V字状の形状をなしている)のが好ましい。
また、各突起81の形状、寸法は、同一であるのが好ましい。これにより、突起81を除去したときの、第2の質量部2の慣性モーメントの変化量が、各突起81において一定になり、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。
質量部本体14と、各突起81とは、後述するように、例えば、シリコン等を主材料として、好ましくは一体的に形成される。
なお、本実施形態では、質量部本体14の構成材料と、各突起81の構成材料とは、同一であるが、これらは互いに異なっていてもよい。
また、突起81の形状や配置は、前記のものに限定されないことは、言うまでもない。
また、膜82の構成材料と、突起81や質量部本体14の構成材料とは、互いに異なるのが好ましい。これにより、膜82のみを容易に除去することができ、共振周波数の調整をより容易に行なうことができる。膜82は、後述するように、例えば、金、アルミニウム等の金属材料で形成(金属膜で構成)することができる。
なお、前記各除去部8の複数の膜82は、例えば、突起81上ではなく、前記除去部8とは別の除去部(除去部8から独立した除去部)として、質量部本体14上に設けてもよい。また、突起81上に膜82を設けつつ、さらに、前記除去部8とは別の除去部として、質量部本体14上に複数の膜を設けてもよい。また、質量部本体14上に設けられる膜は、単一の膜であってもよい。
質量部本体14上に前記単一の膜を設ける場合は、その膜の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数の微調整を行なう。
また、質量部本体14上に設けられる膜は、中間点15より遠位端13側に設けられるのが好ましく、回動中心軸41から遠位の端部に設けられるのがより好ましい。
また、突起81上に設けられる膜82や質量部本体14上に設けられる膜の構成材料と、光反射部21の構成材料とは、同一であってもよく、また、異なっていてもよい。
また、質量部本体14上に設けられる膜と、光反射部21とを共用してもよい。
前記共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータ100は、例えば、次のようにして製造することができる。この場合、アクチュエータ100は、その共振周波数が目標値(目標共振周波数)よりも低い値になるように製造される。
図7〜図9は、それぞれ、図1に示すアクチュエータの製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、以下では、説明の便宜上、図7〜図9中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
[A1] まず、図7(a)に示すように、シリコン基板(共通の基材)30を用意する。
次に、シリコン基板30の上面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図7(b)に示すように、支持部3、3の形状に対応するように、レジストマスク32を形成する。
そして、このレジストマスク32を介して、シリコン基板30の他方の面側をエッチングした後、レジストマスク32を除去する。これにより、図7(c)に示すように、支持部3、3に対応する部分以外の領域に凹部300が形成される。
エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、以下の各工程のエッチングにおいて、同様の方法を用いることができる。
次に、再度、シリコン基板30の上面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図8(d)に示すように、第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5を、図2中下面側から見た形状に対応するように、レジストマスク33を形成する。
そして、このレジストマスク33を介して、シリコン基板30の上面側を、下面側に貫通するまでエッチングした後、レジストマスク33を除去する。これにより、図8(e)に示すように、第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5が形成された構造体50が得られる。なお、この工程により、第2の質量部2の質量部本体14に複数の突起81が設けられる。
この後、第2の質量部2の質量部本体14上に、金属膜を成膜して光反射部21を形成し、また、各突起81上に、それぞれ、金属膜を成膜して膜82を形成する。光反射部21の金属材料(構成材料)と、膜82の金属材料(構成材料)とは、互いに、異なっていてもよく、また、同一であってもよい。また、光反射部21の形成と、膜82の形成とは、いずれか一方を先に行なってもよく、また、同時に行なってもよい。
金属膜の成膜方法としては、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学蒸着法(CVD)、真空蒸着、スパッタリング(低温スパッタリング)、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、MOD法、金属箔の接合等が挙げられる。
なお、以下の各工程の金属膜の成膜において、同様の方法を用いることができる。
[A2] 次に、図9(f)に示すように、対向基板6を形成するためのシリコン基板60を用意する。
そして、シリコン基板60の一方の面に、開口部61を形成する領域を除いた部分に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスクを形成する。
次に、この金属マスクを介して、シリコン基板60の一方の面側を、他方の面側に貫通するまでエッチングした後、金属マスクを除去する。これにより、図9(g)に示すように、開口部61が形成された対向基板6が得られる。
次に、対向基板6上に、図9(h)に示すように、電極7を形成する。
電極7は、対向基板6の開口部61が形成された面に金属膜を成膜し、電極7の形状に対応するマスクを介して金属膜をエッチングした後、マスクを除去することにより形成することができる。
なお、電極7は、開口部61を形成するのに先立って、形成するようにしてもよい。
[A3] 次に、図9(i)に示すように、前記工程[A1]で得られた構造体50の支持部3、3と、前記工程[A2]で得られた対向基板6とを、例えば、直接接合、Naイオンを含有するガラス材料を介した陽極接合等により接合して接合体を得る。
なお、対向基板6を形成するための基板としてガラス基板を用いる場合には、開口部61の形成には、前述したようなエッチング法の他、例えば、ショットブラスト、サンドブラスト、レーザー加工等の方法を用いることができる。
また、この場合、前記構造体50との接合には、例えば陽極接合等を用いることができる。
以上のようにして、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータ100が製造される。
なお、本製造方法では、シリコン基板30の凹部300側からエッチングを施して第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5を一体的に形成したが、これに限らず、例えば、シリコン基板30の凹部300と反対側からエッチングを施して第1の質量部1、11、第2の質量部2、支持部3、3、第1の弾性連結部4、4および第2の弾性連結部5、5を一体的に形成してもよい。
次に、得られたアクチュエータ100の共振周波数を調整する。
図10は、アクチュエータの共振周波数の測定に用いられる装置を示すブロック図である。
図10に示すように、本実施形態では、アクチュエータ100の第1の質量部1、11や第2の質量部2の振幅、すなわち、回転角度(振れ角)を測定する装置として、レーザードップラーベロシティ(LDV)200、アクチュエータ100に印加する交流電圧の周波数を変更(設定)する装置として、FFTアナライザー400をそれぞれ用いる。
本実施形態では、まず、共振周波数の粗調整を行ない、この後に、共振周波数の微調整を行なう。すなわち、粗調整においては、必要に応じて、少なくとも1つの突起81(膜82が設けられた突起81)を除去し、微調整においては、必要に応じて、少なくとも1つの膜82を除去する。これにより、共振周波数の調整を、容易、迅速、かつ正確に行なうことができる。
[粗調整]
まず、アクチュエータ100の共振周波数を求める。
この場合、まずは、FFTアナライザー400により、アクチュエータ100に印加する交流電圧の周波数を所定値(例えば、1Hz)に設定し、その交流電圧をアクチュエータ100に印加してアクチュエータ100を駆動する。そして、レーザードップラーベロシティ200により、アクチュエータ100の第2の質量部2の光反射部21にレーザー光を照射し、その反射光を受光して、第2の質量部2の回転角度(振れ角)を測定する。この場合、実際は、レーザードップラーベロシティ200により、第2の質量部2の振幅が測定される。なお、この場合、レーザードップラーベロシティ200で計測したデータ(情報)は、FFTアナライザー400へ入力され、FFTアナライザー400の中で、所定の周波数における振幅データが蓄積される。
次に、FFTアナライザー400により、アクチュエータ100に印加する交流電圧の周波数を所定数高い値に変更し、アクチュエータ100を駆動させて、レーザードップラーベロシティ200により、第2の質量部2の回転角度を測定する。
そして、アクチュエータ100に印加する交流電圧の周波数が所定値(例えば、32KHz)になるまで、前記第2の質量部2の回転角度の測定を繰り返し行なう。この測定結果から、共振周波数が求まる。
なお、前記共振周波数の測定においては、アクチュエータ100に印加する交流電圧の周波数を増大させていったが、逆に、その交流電圧の周波数を減少させていってもよい。
次に、求めた共振周波数と、目標値とを比較し、除去すべき突起81の数および箇所(位置)を決定する。
この場合、予め、アクチュエータ100の共振周波数と目標値との差と、除去すべき突起81の数との関係を示す検量線が作成されており、この検量線に基づいて、除去すべき突起81の数を求める。なお、突起81を除去する必要があるか否かも、前記検量線から判別することができるようになっており、突起81を除去する必要がない場合は、粗調整を終了し、微調整に移行する。
次に、図示しないレーザー装置により、除去すべき突起81に対してレーザー光を照射し、その突起81を切断し、除去する。
この場合、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように、突起81を除去するのが好ましい。これにより、突起81がバランス良く除去され、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、中心線42を中心にほぼ対称となるように、突起81を除去するのが好ましい。これにより、突起81がバランス良く除去され、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、レーザー光を照射して突起81を除去することにより、突起81をより容易に除去することができる。
なお、突起81を切断(除去)する方法としては、前記レーザー光の照射に限らず、例えば、エッチング法、機械的に衝撃を与える方法、ダイシング等を用いることができる。
突起81を除去することにより、第2の質量部2の質量、慣性モーメントが減少し、これにより、共振周波数が増大する。
次に、前記のようにして、アクチュエータ100の共振周波数を求める。
そして、前記のようにして、求めた共振周波数と、目標値とを比較し、除去すべき突起81の数および箇所(位置)を決定し、その突起81を切断し、除去し、また、突起81を除去する必要がない場合は、粗調整を終了し、微調整に移行する。
突起81を除去する必要がなくなるまで、前記共振周波数の測定、突起81の除去を繰り返し行ない、突起81を除去する必要がなくなると、粗調整を終了し、微調整に移行する。
[微調整]
まず、前記粗調整において求めた共振周波数と、目標値とを比較し、除去すべき膜82の数および箇所(位置)を決定する。
この場合、予め、アクチュエータ100の共振周波数と目標値との差と、除去すべき膜82の数との関係を示す検量線が作成されており、この検量線に基づいて、除去すべき膜82の数を求める。なお、膜82を除去する必要があるか否かも、前記検量線から判別することができるようになっており、膜82を除去する必要がない場合は、微調整を終了し、この共振周波数の調整を終了する。
次に、図示しないレーザー装置により、除去すべき膜82に対してレーザー光を照射し、その膜82を除去する。
この場合、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように、膜82を除去するのが好ましい。これにより、膜82がバランス良く除去され、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
また、中心線42を中心にほぼ対称となるように、膜82を除去するのが好ましい。これにより、膜82がバランス良く除去され、安定的に第2の質量部2を回動させることができる。
なお、膜82を除去する方法としては、前記レーザー光の照射に限定されないことは、言うまでもない。
ここで、膜82を除去することにより、第2の質量部2の質量、慣性モーメントが微小量減少し、これにより、共振周波数が微小数増大する。
次に、前記のようにして、アクチュエータ100の共振周波数を求める。
そして、前記のようにして、求めた共振周波数と、目標値とを比較し、除去すべき膜82の数および箇所(位置)を決定し、その膜82を除去し、また、膜82を除去する必要がない場合は、微調整を終了し、この共振周波数の調整を終了する。
膜82を除去する必要がなくなるまで、前記共振周波数の測定、膜82の除去を繰り返し行ない、膜82を除去する必要がなくなると、微調整を終了し、この共振周波数の調整を終了する。
このようにして、突起81や膜82(除去部8)の少なくとも一部が必要に応じて除去されることにより、第2の質量部2の質量、慣性モーメントが調整され、共振周波数が目標値に設定(調整)される。
以上説明したように、本実施形態によれば、所定(一定)の共振周波数を有するアクチュエータ100を容易に製造することができる。
また、アクチュエータ100を製造する際、最後に、アクチュエータ100の共振周波数の調整を行なうので、アクチュエータ100の加工精度を特別に高くする必要がなく、これにより、歩留まりも高く、コストを低減することもできる。
また、アクチュエータ100は、第1の質量部1、11と、第2の質量部2とを有しているので、低電圧で大きい回転角度(振れ角)での駆動が可能である。
なお、本実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設けるが、本発明では、これに限らず、例えば、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14に、除去部8を設けてもよい。また、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14と、第2の質量部2の質量部本体14とに、除去部8を設けてもよい。
<第2実施形態>
次に、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータの第2実施形態について説明する。
図11は、本発明のアクチュエータの第2実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータを示す平面図、図12は、図11中のB−B線断面図である。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、図11中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図12中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
また、図11では、質量部17、支持部3、3および弾性連結部18、18と、対向基板6とを区別し易いように、対向基板6を2点鎖線で示す。
以下、第2実施形態について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図11および図12に示すように、第2実施形態のアクチュエータ100は、質量部本体14を有する質量部17と、一対の支持部3、3と、質量部17が支持部3、3に対して回動可能となるように、質量部17と支持部3、3とを連結する一対の弾性連結部18、18とを備えている。
そして、前記第1実施形態と同様に、質量部17の質量部本体14に除去部8を設け、その除去部8の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整する。
また、対向基板6には、開口部61が形成されておらず、対向基板6の上面(質量部17側の面)には、質量部17に対応する位置に、一対の電極7が、回動中心軸41を中心にほぼ対称となるように設けられている。
質量部17と各電極7とは、図示しない電源に接続されており、質量部17と各電極7との間に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。
なお、質量部17の各電極7と対向する面には、絶縁膜(図示せず)が設けられている。これにより、質量部17と各電極7との間での短絡が発生するのが好適に防止される。
このアクチュエータ100は、質量部17と弾性連結部18、18とからなる振動系を有し、1自由度振動系を構成する。
このアクチュエータ100は、次のようにして駆動する。
すなわち、質量部17と各電極7との間に、例えば、正弦波(交流電圧)等を印加する。具体的には、例えば、質量部17をアースしておき、一方の電極7に、図4(a)に示すような波形の電圧を印加し、他方の電極7に、図4(b)に示すような、図4(a)に示す波形の電圧に対して位相が180°ずれた波形の電圧を印加すると、質量部17と各電極7との間に、印加された電圧の大きさと、質量部17と対応する電極7との間の距離とに応じた大きさのクーロン力(静電気力)が生じる。
このクーロン力により、質量部17の一方の電極7に対応する部位が、対応する電極7の方へ引きつけられ、この次に、質量部17の他方の電極7に対応する部位が、対応する電極7の方へ引きつけられ、この動作が交互に繰り返されることによって、質量部17は、回動中心軸41を中心に(弾性連結部18を軸に)振動(回転)(回動)する。すなわち、質量部17は、回動中心軸41を中心に正転(回転角度は180°以下)と反転(回転角度は180°以下)とを交互に繰り返す。
上記以外は、前記第1実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
この第2実施形態によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、後述する第3実施形態、第4実施形態および第5実施形態は、それぞれ、この第2実施形態にも適用することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータの第3実施形態について説明する。
図13は、本発明のアクチュエータの第3実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、図13中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
以下、第3実施形態について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図13に示すように、第3実施形態では、各除去部8は、それぞれ、第2の質量部2の質量部本体14の、回動中心軸41から遠位の端部(回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向(長手方向)の端部)、図示例では、質量部本体14の前記遠位の端部における右側端および左側端に設けられる。
また、各除去部8は、それぞれ、複数(図示例では、右側に5個、左側に5個、合計で10個)の突起81と、各突起81の上面(対向基板6と反対側の面)にそれぞれ設けられた膜82とで構成される。
また、各除去部8のそれぞれにおいて、突起81は、質量部本体14の右側端および左側端に、中心線42から離間する方向に向って突出するように立設される。
また、各除去部8のそれぞれにおいて、突起81は、回動中心軸41に対してほぼ垂直な方向に沿って、等間隔で並設される。これにより、共振周波数の調整を容易に行なうことができる。
この第3実施形態によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設けるが、本発明では、これに限らず、例えば、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14に、除去部8を設けてもよい。また、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14と、第2の質量部2の質量部本体14とに、除去部8を設けてもよい。
<第4実施形態>
次に、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータの第4実施形態について説明する。
図14は、本発明のアクチュエータの第4実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、図14中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
以下、第4実施形態について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図14に示すように、第4実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に、その質量部本体14の構成材料と異なる構成材料の除去部8が設けられており、それ以外は、前記第1実施形態と同様である。
この除去部8の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整する。この調整は、粗調整として行なわれる。
この場合、除去部8の構成材料と質量部本体14の構成材料とが異なるので、除去部8のみを容易に除去することができ、共振周波数の調整を容易に行なうことができる。
また、除去部8を除去する方法としては、特に限定されず、例えば、レーザー光の照射等が挙げられる。
また、質量部本体14には、除去可能な微調整用の除去部(例えば、膜)が設けられるのが好ましい。そして、共振周波数の調整において、粗調整と、微調整とを行なうのが好ましい。
この第4実施形態によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設けるが、本発明では、これに限らず、例えば、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14に、除去部8を設けてもよい。また、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14と、第2の質量部2の質量部本体14とに、除去部8を設けてもよい。微調整用の除去部についても同様である。
<第5実施形態>
次に、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータの第5実施形態について説明する。
図15は、本発明のアクチュエータの第5実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、図15中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
以下、第5実施形態について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図15に示すように、第5実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に、除去部8が露出するようにマスクを兼ねる光反射部21を設け、必要に応じて、その光反射部21をマスクとして用い、除去部8に対してエッチングを施して除去部8の少なくとも一部を除去することにより、共振周波数を調整する。この調整は、微調整として行なわれる。
また、第2の質量部2の質量部本体14と、除去部8とは、例えば、シリコン等を主材料として、好ましくは一体的に形成される。
なお、本実施形態では、質量部本体14の構成材料と、除去部8の構成材料とは、同一であるが、これらは互いに異なっていてもよい。
また、光反射部(マスク)21は、本実施形態では、質量部本体14の上面(対向基板6と反対側の面)に、その上面全体を覆い、除去部8のみが露出するように設けられている。この光反射部21は、例えば、金/クロム、金等の金属膜で構成することができる。
また、使用するエッチング方法としては、特に限定されないが、ドライエッチングを用いるのが好ましい。例えば、質量部本体14および除去部8をシリコンで形成し、光反射部21を金/クロムや金で形成し、エッチングガスとして、例えば、SFを用いることができる。
このように、除去部8を除去する方法として、エッチング法、特にドライエッチングを用いることにより、エッチング時間(処理時間)等のエッチング条件(処理条件)を調整することによって、除去部8から所定量だけを正確に除去することができる。
共振周波数の調整においては、例えば、予め、アクチュエータ100の共振周波数と目標値との差と、エッチング時間との関係を示す検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、エッチング時間を求める。
また、質量部本体14には、除去可能な粗調整用の除去部が設けられるのが好ましい。そして、共振周波数の調整において、粗調整と、微調整とを行なうのが好ましい。
この第5実施形態によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、光反射部21がマスクを兼ねるが、本発明では、これに限らず、例えば、別途、マスクを設けてもよい。
また、本実施形態では、第2の質量部2の質量部本体14に除去部8を設けるが、本発明では、これに限らず、例えば、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14に、除去部8を設けてもよい。また、第1の質量部1、11のいずれか一方または両方の質量部本体14と、第2の質量部2の質量部本体14とに、除去部8を設けてもよい。粗調整用の除去部についても同様である。
以上説明したようなアクチュエータ100は、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の光スキャナ、イメージング用ディスプレイ、光通信用デバイス(例えば、光スイッチ、アッテネータ)、機械的な共振を電気的な共振に変換する共振器等に好適に適用することができる。
以上、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータについて、図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータは、前記各実施形態のうちの任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせるようにしてもよい。
また、本発明のアクチュエータの共振周波数の調整方法およびアクチュエータでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成(構成物)や、工程を付加することもできる。
以下に、第1の質量部と第2の質量部とを有するアクチュエータ(第1実施形態、第3〜第5実施形態等)についての変形例(1)〜(9)を簡単に説明する。
(1)前述した実施形態では、第1の弾性連結部を一対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、二対以上であってもよい。
(2)前述した実施形態では、第2の弾性連結部を一対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、二対以上であってもよい。
(3)前述した実施形態では、光反射部21が第2の質量部2の一方の面に設けられている構成について説明したが、例えば、両方の面に設けられている構成であってもよい。
(4)前述した実施形態では、対向基板6上に電極7が設けられている構成について説明したが、対向基板6と第1の質量部1、11の両方に設けられていてもよい。
(5)前述した実施形態では、第1の質量部1、11に対応する位置に、それぞれ一対の電極7を設けたが、これに限らず、それぞれ、電極7を1つ、もしくは3つ以上設けてもよい。
なお、第1の質量部1、11に対応する位置に、それぞれ1つの電極7を設けた場合は、例えば、オフセット電圧を加えた、最小電位がグランド電位である正弦波(交流電圧)等を印加するのが好ましい。
(6)前述した実施形態では、第1の弾性連結部および第2の弾性連結部の形状として図示の構成のものについて説明したが、これに限定されず、例えば、その形状が、クランク形状等であってもよいし、分岐した構造を有するものであってもよい。
(7)前述した実施形態では、第1の質量部1、11の電極7と対向する面に、短絡防止用の絶縁膜が設けられている構成について説明したが、例えば、このような絶縁膜は、電極7の表面に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。
(8)前述した実施形態では、第1の質量部が、一対設けられる構成のものであったが、単一の第1の質量部が第2の質量部を囲むように設けられる構成のものであってもよい。
(9)前述した実施形態では、交流電圧を印加することにより生じるクーロン力により、第1の質量部を駆動するように構成されているが、駆動方式は、これに限らず、例えば、電磁力(ローレンツ力)により駆動する駆動方式、ピエゾアクチュエータ(圧電素子を備えたアクチュエータ)により駆動する駆動方式等、各種の駆動方式を採用することができる。
また、前述した変形例(2)〜(7)、(9)は、それぞれ、単一の質量部を有するアクチュエータ(第2実施形態等)にも適用することができる。
本発明のアクチュエータの第1実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータを示す平面図である。 図1中のA−A線断面図である。 図1に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図である。 印加する交流電圧の一例を示す図である。 印加した交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の回転角度との関係(第1の質量部および第2の質量部の共振曲線)を示すグラフである。 図1に示すアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。 図1に示すアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 図1に示すアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 図1に示すアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 アクチュエータの共振周波数の測定に用いられる装置を示すブロック図である。 本発明のアクチュエータの第2実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータを示す平面図である。 図11中のB−B線断面図である。 本発明のアクチュエータの第3実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第4実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第5実施形態であって、共振周波数の調整を行なう前の状態のアクチュエータの第2の質量部を示す平面図である。 従来のアクチュエータを説明するための図である。
符号の説明
100……アクチュエータ 1、11……第1の質量部 2……第2の質量部 12、13……遠位端 14……質量部本体 15……中間点 16……中心 17……質量部 18……弾性連結部 21……光反射部 3……支持部 4……第1の弾性連結部 5……第2の弾性連結部 6……対向基板 60……シリコン基板 61……開口部 7……電極 8……除去部 81……突起 811……基端部 82……膜 30……シリコン基板 300……凹部 32、33……レジストマスク 41……回動中心軸 42……中心線 50……構造体 L、L、L……距離 200……レーザードップラーベロシティ 400……FFTアナライザー 1200……スペーサ 1300……可動電極板 1300a……両端固定部 1300b……トーションバー 1300c……可動電極部 1400……固定電極 1500……電源 1600……スイッチ 1000……ガラス基板

Claims (33)

  1. 質量部本体を有する第1の質量部と、質量部本体を有する第2の質量部と、支持部と、前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第1の弾性連結部と、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第2の弾性連結部とを有し、
    交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するアクチュエータの共振周波数の調整方法であって、
    前記第1の質量部と前記第2の質量部との少なくとも一方の前記質量部本体に、質量を調整するために除去され得る除去部を設け、
    前記除去部の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整することを特徴とするアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  2. 前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸から遠位の端部に設けられる請求項1に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  3. 前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸と、該回動中心軸からの遠位端との中間点より前記遠位端側に設けられる請求項1に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  4. 前記除去部は、前記質量部本体の、対応する前記質量部の回動中心軸を介して両側にそれぞれ設けられる請求項1ないし3のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  5. 前記回動中心軸を中心にほぼ対称となるように前記除去部を除去する請求項4に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  6. 前記第2の質量部は、光反射部を有する請求項1ないし5のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  7. 前記アクチュエータは、前記第1の質量部を一対備え、
    前記一対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられている請求項1ないし6のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  8. 前記除去部は、複数の突起を有し、該複数の突起の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整する請求項1ないし7のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  9. 前記突起の基端部は、その先端側の部分よりも細い請求項8に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  10. 前記突起が設けられている質量部において、該突起は、互いに、その質量部の回動中心軸からほぼ等しい距離に位置する請求項8または9に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  11. 前記突起が設けられている質量部において、該突起は、その質量部の回動中心軸に対してほぼ平行な方向に沿って並設される請求項8ないし10のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  12. 前記突起が設けられている質量部において、該突起は、その質量部の回動中心軸に対してほぼ垂直な方向に沿って並設される請求項8または9に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  13. 質量部本体を有する質量部と、支持部と、前記質量部と前記支持部とを、前記質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の弾性連結部とを有し、
    交流電圧を印加することによって、前記質量部が回動するアクチュエータの共振周波数の調整方法であって、
    前記質量部の前記質量部本体に、質量を調整するために除去され得る除去部を設け、
    前記除去部の少なくとも一部を必要に応じて除去することにより、共振周波数を調整することを特徴とするアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  14. 前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸から遠位の端部に設けられる請求項13に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  15. 前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸と、該回動中心軸からの遠位端との中間点より前記遠位端側に設けられる請求項13に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  16. 前記除去部は、前記質量部本体の、前記質量部の回動中心軸を介して両側にそれぞれ設けられる請求項13ないし15のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  17. 前記質量部の回動中心軸を中心にほぼ対称となるように前記除去部を除去する請求項16に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  18. 前記質量部は、光反射部を有する請求項13ないし17のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  19. 前記除去部は、複数の突起を有し、該複数の突起の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整する請求項13ないし18のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  20. 前記突起の基端部は、その先端側の部分よりも細い請求項19に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  21. 前記突起は、互いに、前記質量部の回動中心軸からほぼ等しい距離に位置する請求項19または20に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  22. 前記突起は、前記質量部の回動中心軸に対してほぼ平行な方向に沿って並設される請求項19ないし21のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  23. 前記突起は、前記質量部の回動中心軸に対してほぼ垂直な方向に沿って並設される請求項19または20に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  24. 前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
    前記突起を除去することによる共振周波数の調整を、前記粗調整として行なう請求項8ないし12、19ないし23のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  25. 前記質量部本体の構成材料と前記除去部の構成材料とが互いに異なる請求項1ないし7、13ないし18のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  26. 前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
    前記質量部本体と構成材料の異なる前記除去部を除去することによる共振周波数の調整を、前記粗調整として行なう請求項25に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  27. 前記除去部は、前記複数の突起の表面に設けられた膜を有し、該複数の膜の少なくとも1つを除去することにより、共振周波数を調整する請求項8ないし12、19ないし24のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  28. 前記除去部は、膜を有し、該膜の少なくとも一部を除去することにより、共振周波数を調整する請求項1ないし26のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  29. 前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
    前記膜を除去することによる共振周波数の調整を、前記微調整として行なう請求項27または28に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  30. 前記除去部が露出するようにマスクを設け、該マスクを用いて前記除去部に対してエッチングを施して該除去部の少なくとも一部を除去することにより、共振周波数を調整する請求項1ないし7、13ないし18のいずれかに記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  31. 前記共振周波数の調整には、粗調整と、微調整とが含まれ、
    前記エッチングにより前記除去部を除去することによる共振周波数の調整を、前記微調整として行なう請求項30に記載のアクチュエータの共振周波数の調整方法。
  32. 第1の質量部と、第2の質量部と、支持部と、前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第1の弾性連結部と、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の第2の弾性連結部とを有し、
    交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するアクチュエータであって、
    前記第1の質量部と前記第2の質量部との少なくとも一方の一部が必要量除去されて、その質量が調整されることにより、共振周波数が調整されたものであることを特徴とするアクチュエータ。
  33. 質量部と、支持部と、前記質量部と前記支持部とを、前記質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも一対の弾性連結部とを有し、
    交流電圧を印加することによって、前記質量部が回動するアクチュエータであって、
    前記質量部の一部が必要量除去されて、その質量が調整されることにより、共振周波数が調整されたものであることを特徴とするアクチュエータ。

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